Đặt vấn đề Ngành động cơ đốt trong đóng góp một phần quan trọng vào tiến trình phát triển của con người. Song song với sự phát triển đó, việc sử dụng năng lượng ngày càng tăng cho các nhu cầu phát triển kinh tế của nhân loại, trong đó nhiên liệu hóa thạch chiếm một tỷ trọng lớn trên tổng năng lượng sử dụng. Theo dự báo của tổ chức năng lượng thế giới nguồn nhiên liệu này sẽ cạn kiệt vào khoảng vài chục năm [I]. Ngoài ra, việc sử dụng nguồn nhiên liệu cũng gây ra tác động tiêu cực đến môi trường và sức khỏe con người gồm: khí CO: gây nên hiệu ứng nhà kính làm nhiệt độ trái đất nóng dần lên, các thành phần khí thải khác như: cacbon monoxit (CO), hydro cacbon (HC), nito ôxít (NÑO¿, bồ hóng (PM) gây ra nhiều căn bệnh cho con người.
Vì vậy, để bảo vệ môi trường sống và sức khỏe thì các tiêu chuẩn về khí thải ngày áp dụng cho động cơ tĩnh tại và các phương tiện giao thông vận tải càng khắt khe hơn. Điều này đặt ra thách thức cho các nhà nghiên cứu cũng như các nhà sản xuất trên thế giới tìm ra những nguồn nhiên liệu thay thế cho nhiên liệu hóa thạch đang cạn kiệt dần và thỏa mãn tiêu chuẩn về khí thải. Đây cũng là vấn đề cấp bách mà tất cả các quốc gia đều quan tâm. Theo báo cáo của tô chức năng lượng thế giới về nhu cầu sử dụng năng lượng năm 2015, nhiên liệu hóa thạch chiếm 78,3%, trong khi năng lượng hạt nhân và nguồn năng lượng tái tạo chiếm lần lượt là 2,6% và 9.
So với báo cáo năm 2014 [2], có thể thấy tỷ lệ sử dụng năng lượng tái tạo đã tăng 0,01% và nhiên liệu hóa thạch đã giảm 0,01%; tuy nhiên nhiên liệu hóa thạch vẫn chiếm một phần lớn so với tỷ lệ sử dụng nhiên liệu sinh học. Việc phụ thuộc vào nguồn năng lượng hóa thạch đã gây nên những vấn đề như: cạn kiệt nguồn năng lượng, gây ô nhiễm môi trường, ảnh hưởng đến sức khỏe con người và tác động tiêu cực đến vấn đề an ninh, chính trị nhiều khu vực trên thế giới. Để giải quyết vấn đề này, nhiều quốc gia đã đề ra chiến lược phát triển nguồn năng lượng tái tạo nhằm giải quyết bài toán về an ninh năng lượng, môi trường và cải thiện tỷ lệ hiệu quả sử dụng năng lượng tái tạo vào năm 2030 đạt 50% tổng nhu cầu năng lượng trên thế giới [2]. Tại Việt Nam, Quyết định số 1855/QD- TTg ban hành ngày 27/12/2007 của thủ tướng chính phủ phê duyệt chiến lược phát triển Năng lượng tái tạo quốc gia của Việt Nam đến năm 2020 tầm nhìn đến 2050 [3].
Trong đó, đối với nhiên liệu sinh học đạt 100 nghìn tấn xăng E5 và 50 nghìn tan dau B5 vào năm 2010 tương đương với 0,4% tổng nhu cầu xăng dầu dự kiến của cả nước đạt 5% nhu cầu xăng dầu vào năm 2025 và 11% vào năm 2050 [3]. Nhiên liệu biodiesel - Diesel sinh hoc (BDF) là một dạng năng lượng tái tạo có nguồn gốc từ dầu thực vật hay mỡ động vật. Tùy thuộc vào vị trí địa lý, khí hậu cũng như khả năng khai thác nguồn nguyên liệu có sẵn để tìm kiếm giải pháp năng lượng thay thế phù hợp với từng quốc gia, từng khu vực. Nghiên cứu về nhiên liệu diesel sinh học là một trong những hướng nghiên cứu chính hiện nay của các nước trên thế giới.
Tại Mỹ dầu đậu nành được tập trung nghiên cứu để sản xuất nhiên liệu biodiesel, tại Châu Âu tập trung vào hạt cải dầu; trong khi đó khu vực Đông Nam Á thì tập trung vào các cây dầu co, dau diva, dau đậu nành, dầu cây cọc rào. và những năm gần đây là dầu từ hạt cao su. Việt Nam với sản lượng cao su xếp thứ năm trên thế giới, có thê xem nguồn nguyên liệu từ dầu hạt cao su để sản xuất biodiesel là một lợi thế. Đây là loại dầu không ăn được có độ nhớt cao và có tính oxi hóa cao do trong thành phần có chứa hàm lượng lớn các acid béo không bão hòa và hàm lượng các acid béo tự do (free fatty acid - FEA) khoảng 17% tức chỉ số acid khoảng 37 mg KOH/g [4-5].
Dầu từ hạt cao su (RSO) được xem như nguồn nguyên liệu được quan tâm để sản xuất nhiên liệu biodiesel ở các nước Ấn Độ, Malaysia, Indonesia [7-10] và được báo cáo trong một số công trình nghiên cứu của Việt nam [1 1-13]. Các kết quả nghiên cứu đã chỉ ra rằng diesel sinh học thu được từ dầu hạt cao su có những tính chất tương đồng với nhiên liệu diesel truyền thống và thỏa mãn các tiêu chuẩn của nhiên liệu biodiesel [Š]. Bên cạnh việc lựa chọn nguồn nguyên liệu dé sản xuất biodiesel thì phương pháp sản xuất và thử nghiệm cũng đóng một vai trò then chốt trong bức tranh tông quan để có thê từng bước thương mại hóa sản phẩm biodiesel. Phương pháp chuyển hóa ester truyền thống với sự kết hợp hai xúc tác axít-bazơ đã được phát triển dé giải quyết những vấn đề của dầu hạt cao su thô như độ axít cao, độ nhớt cao và thành phần nước trong dầu, tuy nhiên phương pháp này cũng còn nhiều hạn chế như sử dụng nhiều xúc tác, cần xử lí các sản phẩm xà phòng hóa sau phản ứng, thời gian phản ứng kéo dài.
Ngoài ra, gần đây sản xuất nhiên liệu biodiesel bằng phương pháp chuyên hóa ester trong môi trường methanol siêu tới hạn đã được nghiên cứu, phát triển nhằm khắc phục những vấn đề mà phương pháp sản xuất truyền thống đang gặp phải, đây là phương pháp sản xuất nhiên liệu biodiesel không dùng xúc tác, thời gian phản ứng ngắn và hiệu suất biodiesel thu được cao [6]. Nghiên cứu và đánh giá nhiên liệu biodiesel được sản xuất bằng phương pháp methanol siêu tới hạn đã được nhóm thực hiện trong luận văn này. Đề tài này tập trung nghiên cứu, đánh giá sự ảnh hưởng của biodiesel bằng hai phương pháp sản xuất khác nhau đó là phương pháp chuyên hóa ester xúc tác qua hai giai đoạn và phương pháp chuyển hóa ester trong môi trường siêu tới hạn lên đặc tính quá trình cháy, đặc tính công suất và phát thải của động cơ Diesel một xy lanh phun nhiên liệu trực tiếp. Mục tiêu đề tài 1.
Mục tiêu chung e _ Tìm hiểu về hai phương pháp tổng hợp biodiesel từ đó xác định các chỉ tiêu của loại nhiên liệu này như: chỉ số cetane, tỷ trọng, độ nhớt, nhiệt trị, chi số acid, chỉ số iodine. ảnh hưởng đến đặc tính của động cơ diesel. e _ Trên cơ sở thực nghiệm xác định tỷ lệ hòa trộn nhiên liệu phù hop gitra biodiesel (5%, 10% theo thê tích) với điesel và biodiesel 100%. Từ đó dự đoán và phân tích tỷ lệ tối ưu.
e _ Phân tích đặc tính quá trình cháy các mẫu nhiên liệu biodiesel được sản suất từ hai phương pháp chuyên hóa ester hai giai đoạn có xúc tác và không xúc tác trong môi trường methanol siêu tới hạn để làm cơ sở giải thích sự khác biệt về tính công suất, đặc tính khí thải động cơ diesel khi sử dụng các mẫu nhiên liệu khác nhau. Mục tiêu cụ thé e _ Phân tích sắc ký (GC-MS) xác định thành phần methyl ester để xây dựng mô hình dự đoán tính chất của nhiên liêu biodiesel và sự ảnh hưởng của trọng lượng phân tử ( chiều dài chuỗi cacbon) và số liên kết đôi đến các tính chất chỉ số cetanee, trọng lượng riêng, độ nhớt và nhiệt trị. e _ Đo mức tiêu hao nhiên liệu tại tốc độ động cơ 1600 víp tại các vị trí tải lần lượt là 100 kPa, 250 kPa, 400 kPa, 550 kPa, 700 kPa để xác định suất tiêu hao nhiên liệu, suất tiêu hao năng lượng và hiệu suất nhiệt (hiệu suất có ích) của các mẫu nhiên liệu thử nghiệm. e Đo lường thông số trạng thái áp suất theo góc quay trục khuỷu để tính toán và xác định đường cong áp suất và đường cong tỏa nhiệt tại tốc độ 1600 vòng/ phút theo từng chế độ tải tương ứng từ 100 kPa, 250 kPa, 400 kPa, 550 kPa, 700 kPa.
© _ So sánh lượng khí phát thải từ động cơ bao gồm: thành phần HC, CO, NOx, độ mờ khói. Đối tượng nghiên cứu e Dong co Kubota 01 xylanh RT125DI được sử dụng trong thí nghiệm nay va được kết nối với một băng thử có công suất 38 kW. e_ Các loại nhiên liệu được chuẩn bị đề thử nghiệm trên động cơ Diesel 01 xylanh gôm: > Dau Diesel truyén thống (DO); > Hỗn hợp nhiên liệu biodiesel được sản xuất bằng phương pháp siêu tới hạn pha trộn với nhiên liệu diesel theo thể tích gsm: B5S, B100S va B100S; > Hon hop nhiên liệu biodiesel được sản xuất bằng phương pháp xúc tác hai giai đoạn pha trộn với nhiên liệu diesel theo thể tích gồm: BSC, B100C va B100C. Phương pháp nghiên cứu * Phương pháp nghiên cứu lý thuyết và thu thập tài liệu © _ Tìm hiều và nắm vững lý thuyết về quá trình cháy của động cơ Diesel đề từ đó vận dụng vào thực tế nghiên cứu.
e Thu thap va chọn lọc từ những bài báo, nghiên cứu khoa học trong và ngoài nước có liên quan đến đề tài luận văn như quá trình sản xuất, ứng dụng và những đánh giá về tính năng công suất, phát thải của nhiên liệu sinh học. e_ Đọc các tài liệu liên quan đến động cơ KUBOTA RT125DI, và các tải liệu liên quan đến các thiết bị đo đạc sử dụng trong thử nghiệm như: thiết bị đo lưu lượng không khí, thiết bị đo khí thải, v.để nắm rõ cách thức lắp đặt, vận hành và thu thập số liệu khi tiến hành các thử nghiệm. %* Phương pháp thống kê, phân tích và tổng hợp Phương pháp này được sử dụng chủ yếu trong toàn bộ nội dung của nghiên cứu này; bao gồm: thống kê, phân tích va tong hợp từ các nguồn tài liệu và số liệu thu thập được để trình bày nội dung báo cáo trong đề tài này. +* Phương pháp thực nghiệm Tiến hành thử nghiệm trên động cơ Diesel 01 xylanh với 07 mẫu nhiên liệu thử nghiệm như đã nêu gồm: DO, B5S, B10S, B100S, B5C, B10C, B100C trong phần đối tượng nghiên cứu.
Quy trình thử nghiệm tại các tốc độ động cơ khác nhau gồm 1600 víp với tải thay đổi từ thấp đến cao sẽ được áp dụng đề đánh giá đặc tính quá trình cháy của nhiên liệu ảnh hưởng lên tính năng công suất và phát thải của động cơ Diesel. s* Phương pháp so sánh Tiến hành thử nghiệm 03 lần, lẫy kết quả trung bình của 03 giá trị. Sau đó so sánh giá trị này với các giá trị của các mẫu nhiên liệu thử nghiệm khác và đưa ra những nhận xét đánh giá về kết quả so sánh.
